化学中的量子理论
量子隧穿(quantum tunneling)
把一个球滚向一座小山。如果它的能量不足以到达山顶,常识会说它滚到半山就直接退回来——它绝不可能出现在山的另一边。一个面对势垒的量子粒子却打破了这条规则。因为它是用一道散开的波来描述的,而这道波会渗进墙壁里一点点,所以它真的有可能干脆出现在另一边,哪怕它从来没有足够的能量翻越过去。这种看似不可能的穿越,就是量子隧穿。
更准确地说,量子隧穿是粒子能够穿过一道按经典物理它本不可能跨越的能量势垒的本领。它的波函数并不在势垒处戛然而止;它在势垒内部衰减,而如果势垒足够薄,这道波就会以一个微小却真实的振幅在另一边冒出来——意味着粒子在那里被找到有一个微小却真实的概率。势垒越薄、越低,粒子越轻,隧穿就越容易发生。
诚实地说,它的重大意义在于:隧穿并不是一种罕见的奇观——它对世界的运作至关重要。它让质子和电子能在酶里、在某些化学反应里溜过势垒,把反应加速到远超经典理论所预测的程度,尤其在低温下。它是太阳如何聚变氢、放射性核如何衰变、以及扫描隧道显微镜如何拍到单个原子的机理。
在某些酶里,一个质子必须跨过一道能量势垒,才能从一个原子移到另一个原子。由于它很轻,它会直接隧穿过势垒,而不是翻越过去,于是反应进行得远比单凭其活化能所允许的要快——而且即便在经典翻越几乎停滞的低温下,它也照样继续进行。
质子太轻、翻不过势垒,于是干脆穿了过去。
隧穿会随着势垒变宽、或粒子变重而极快地减弱。这正是为什么电子和质子很容易隧穿,整个原子就难得多,而日常物体则从不隧穿——一个被抛出的球穿墙而过的概率,小到无法想象。
又称
另见